某型电磁式水下发射装置充电柜输出短路故障与排除

孙 霖，王明明

应用研究

某型电磁式水下发射装置充电柜输出短路故障与排除

孙 霖，王明明

（海装武汉局，武汉 430000）

某艇电磁式水下发射装置充电柜在进行出厂试验过程中出现输出端短路故障，充电柜内多处元器件损毁，影响较大。该文具体阐述了处理该问题时的过程现象、故障定位，利用故障树方式进行原因分析，最终采取有效的纠正措施及举一反三情况。

充电柜 输出端 短路 问题处理

1 问题描述

某型电磁式水下发射装置充电柜（左舷）进行出厂前试验期间，在正常充电试验过程中，发生了短路故障，现象如下：

1）充电柜部分器件损毁（图1红色标识），具体情况：

a、充电单元1输出端负母排靠近绝缘件和正母排处出现熔蚀缺口，标识为N1；且N1正下方安装底板出现烧蚀痕迹；

b、充电单元1输出端熔断器13（315A）熔断且炸裂，且炸裂缺口和N1相对应；

c、充电单元1输出端防反二极管13阴阳极有短路烧蚀痕迹，标识分别为A1和K1；

d、充电单元2输出端负母排上出现铜水铺盖痕迹，标识为N2，且和K1相对应；

e、充电单元2输出端熔断器23（315A）熔断；

f、充电单元2输出端防反二极管23外壳裂开，阴极连接铜排熔断（标识为K2），散热底板安装螺孔及螺钉烧蚀（二极管23阴极侧）。

2）充电柜器件异常情况（图1橙色标识）

a、带电操断路器S11和S21分闸；

b、断路器S12、 S13、S22和S23脱扣。

3）本地调试界面显示故障情况

a、母线电容电压Ubus1和Ubus2硬件过压（保护阈值为840 V）；

b、母线电容电压Ubus1和Ubus2软件过压（保护阈值为840 V）[1]；

c、Buck电感电流Ibk11、Ibk12、Ibk21和Ibk22软件过流（保护阈值为248 A）[2]。

4）储能柜故障情况

储能单元2熔断器Fs2（1250 A）熔断。故障充电柜回厂后进行了检测，核心部件功率单元均正常，两个充电单元的BUCK电路输出防反二极管均正常[3]。

图1 充电柜主电路拓扑图

2 故障定位

充电柜主输入电路未见异常，功率单元和BUCK电路输出防反二极管经检测均正常，说明从主输入电路到BUCK电路输出防反二极管之间的电路均正常。充电柜损毁的器件集中在输出端口，且故障时刻示波器测量到充电单元1输出电流I1_s反向，因此可以把故障范围缩小到充电柜输出端口，结合上述故障现象，判定输出电路发生了短路故障。

3 原因分析

从故障现象描述“充电单元1输出端负母排靠近绝缘件和正母排处出现熔蚀缺口，标识为RN1；且RN1正下方安装底板出现烧蚀痕迹”可以推断RN1发生了对地短路。

从“充电单元2输出端防反二极管D23炸裂，阴极连接铜排熔断（标识为RK2），散热底板安装螺孔及螺钉烧蚀（二极管D23阴极侧）”可以推断RK2发生了对地短路。

从“充电单元1输出端防反二极管D13两端连接铜排靠近充电单元2负母排侧出现熔蚀缺口，标识分别为RA1和RK1”可以推断出，RA1和RK1通过电弧直接导通，将二极管D13阴极和阳极直接短路，故二极管D13未损坏。

3.1 对充电柜及储能柜出现的故障及异常现象分析

3.1.1充电柜器件损毁情况

1）“充电单元1输出端负母排靠近绝缘件和正母排处出现熔蚀缺口，标识为RN1；且RN1正下方安装底板出现烧蚀痕迹”：因此RN1是短路点之一，且短路电流I1和I2均流过RN1，该处铜排出现熔蚀缺口，且RN1正下方安装底板出现烧蚀痕迹，说明烧蚀缺口处与安装底板间有大电流通过；

2）“充电单元1输出端熔断器F13（315 A）熔断且炸裂，且炸裂缺口和RN1相对应”：短路电流Isc1流过熔断器F13，所以熔断器F13熔断；

3）“充电单元1输出端防反二极管D13两端阴阳极连接铜排烧蚀，标识分别为RA1和RK1”：短路电流Isc1以电弧为导通路径流过RA1和RK1；

4）“充电单元2输出端负母排上出现铜水铺盖痕迹，标识为TN2，且和RK1相对应”：溶蚀缺口RK1正对着TN2，RK1在电弧放电过程中产生的电弧逸出物洒落在TN2处；

5）“充电单元2输出端熔断器F23（315 A）熔断”：短路电流I1流过熔断器F23；

6）“充电单元2输出端防反二极管D23炸裂，阴极连接铜排熔断（标识为RK2），散热底板安装螺孔及螺钉烧蚀（二极管D23阴极侧）”：因RK2是短路点之一，且短路电流I1和I2均流过RK2；根据仿真得出充电单元2输出端防反二极管D23短路点的短路电流为32 kA，防反二极管上熔断部分的铜排尺寸约为25 mm（宽）×3 mm（厚）×10 mm（长）。

熔断部分铜排（紫铜）熔点1083℃，熔断时间为100 ms，设防反二极管阴极铜排通过电弧与的平均电弧电阻为Rsc，根据以下公式进行计算：

△=I2

上式中各参数含义如下：

：紫铜比热容，取394 J/(kg℃）；

：紫铜密度，取8900 kg/m3；

：防反二极管上熔断部分的铜排尺寸为25 mm（宽）×3 mm（厚）×10 mm（长），取7.5×10-7m3；

△：紫铜熔断温度差，紫铜熔点1083℃，环境温度按25℃考虑，取1058℃；

I：短路电流，取32 kA；

：短路时间，取0.1 s。

由于时间极短，熔断部分铜排发热过程先按绝热考虑，代入各参数计算出平均电弧电阻R为2.7×10-5Ω，而熔断部分铜排的电阻为2.4×10-6Ω，平均电弧电阻比铜排熔断部分电阻大了一个数量级，因此短路电流产生的热量主要消耗在电弧部分，而实际情况是熔断部分铜排在未熔断前的温度上升过程中会将热量向周边传导，也就是实际产生的热量要大于熔断部分铜排消耗的热量，从而可以判定实际的平均电弧电阻值Rsc比计算值要大，较大的电弧电阻与与较小的铜排电阻串联，使热量主要集中在电弧电阻，从而导致防反二极管阴极铜排出现高温烧蚀并熔断的现象。

图2 充电柜故障树

3.1.2充电柜器件异常情况

1）“带电操断路器S11和S21分闸”：出现短路时，断路器S11和S21受控分闸；

2）“断路器S12、 S13、S22和S23脱扣”：S13和S23是因为流过短路电流导致脱扣分闸，S12和S22是因为充电单元的输出电流过大，导致脱扣分闸。

3.1.3 储能柜故障情况

“储能单元2熔断器Fs2（1250 A）熔断”：充电单元2短路电流I2较大，峰值超过20000 A，根据熔断器的熔断特性，熔断时间小于20 ms[4]。储能单元1熔断器Fs1（1250 A）流过的短路电流I1较小，持续100 ms的短路时间根据熔断特性，熔断时间需要500 ms以上，不足以熔断，故储能单元1熔断器Fs1未熔断[5]。

3.2 故障原因分析

根据上述的输出短路故障现象，依据《故障分析指南》GJBZ768A-1998对故障原因进行故障树分析，得到如图2所示的故障树，以下对故障树中各可能因素逐一分析。

3.2.1元器件故障

1）二极管模块故障

二极管模块的型号为DZ600N-14，额定电流为600 A，反向阻断电压为1400 V，其内部电气间隙如图5-10所示，图中可以看出阴极铜排与接地的螺钉之间尺寸为5 mm，预计可承受5 kV电压，产品规格书给出的数据为3 kVrms（50 Hz，1 min），充电柜正常运行的最大电压为660VDC。根据发生故障时的输出电压波形判断，二极管模块未受到大于5 kV的电压冲击，对二极管模块进行拆解分析，内部芯片无烧蚀，万用表检测无异常，故而二极管模块故障导致输出短路的可能性可以排除。

2）输出断路器故障

充电柜返厂后测试输出断路器的正负极间电阻为无穷大，说明输出断路器未发生故障。

3）输出滤波电容故障

发生故障约2小时后，测试输出滤波电容上的存在120 V左右电压，充电柜回厂后测试电容值正常，说明输出滤波电容无故障。

4）输出熔断器故障

输出熔断器的非导电部分为陶瓷外壳，安装后距离安装底板的高度约30 mm，当电路中的故障电流超过熔断器的熔断限值后仅陶瓷外壳内部的熔丝熔断，故不存在输出熔断器故障引起的输出短路故障。

3.2.2 输出电路绝缘击穿

负母排对安装底板的电气间隙为30 mm，能够承受约90 kV对地电压，充电柜按3kVDC耐压设计，若负极母排上产生了超过90 kV电压，会引发更大面积的电路故障，故实际不可能产生如此高的电压，因而不会发生负极母排直接击穿空气对安装底板放电的现象。

3.2.3 外部导电异物进入

1）充电柜试验期间前门板处于敞开状态，而充电柜柜内经清查无零部件缺失，据此推断存在外部进入的导电异物引发了短路故障；

2）根据之前的分析，负母排与安装底板间发生了放电，而根据故障树中第（2）项原因分析，排除了负母排通过空气直接与安装底板放电的可能性，据此推断负母排与安装底板间存在导电异物作为放电媒介；

3）熔断器裂口无电弧熏黑痕迹，经熔断器厂家分析，得出的结论为异物撞击导致熔断器开裂，而非熔断器分断能力不足导致熔断器炸裂；

4）充电柜内输入断路器的电操机构在分合闸过程中会产生较大的振动，存在导电异物初始位置距负母排稍远而经过几次充电运行后将导电异物振到离负母排稍近处的可能性。

根据上述4项分析，推断外部导电异物最初位于负母排旁边，经过几次充电运行后，因输入断路器的电操机构振动导致外部导电异物靠近负母排，在充电电压达到某个空气击穿临界值后（约550 V），先引发负母排通过外部导电异物对安装底板断续放电，导致充电电流波形振荡，几次断续放电过程中加热了负母排与导电异物间的空气，使空气电离形成连续电弧放电通道，在负母排与导电异物间产生小电流电焊放电效应，电弧放电过程中产生少量的金属蒸汽在充电柜输入输出电路仓室的狭小空间内急速散开，引发防反二极管D23阴极铜排通过内部散热器对安装底板放电，使输出电路的正负极间形成短路，进而引发大电流放电，放电产生的大电流使导电异物受到巨大的电动力，将与负母排正对的正母排上熔断器击裂，并使熔断器出现缺口，然后反弹出充电柜，同时，大电流放电过程中产生高热的气体将熔化的铜水炸开，飘洒在充电单元2的负母排TN2处。

综合上述故障树原因分析，充电柜输出短路故障是由外部导电异物引起的负极母排对安装底板异常放电，进而引发一系列的过压过流故障。

4 纠正措施

根据故障现象和故障原因分析，发生短路的主要原因是异物进入，且由于异物体积较小，短路故障过程将异物烧溶或炸开，最后未能在试验现场找到该异物，因此为防止此问题再次发生，后续采取以下措施：

1）清洁并修复柜体，更换损坏的电气和结构件，将充电柜还原到出厂标准；

2）充电柜出厂前进行全面清洁和异物检查；

3）完善管理措施，凡是在试验期间进行了柜门拆装、接线、维护、检修等操作，均需要相关人员检验确认，确保清洁无异物。

4）充电柜恢复后，按出厂试验实施细则完成了所有出厂试验项目，在此基础上按课题组要求，额外进行了各种工况下的可靠性试验（试验次数57次），试验结果合格。

5 举一反三

第7条船充电柜（右舷）在461厂已完成35次充电，充电功能正常，波形一致性较好。结合此前1台可靠性样机及已交付的14台充电柜产品运行均正常的情况看，也充分说明了充电柜运行的稳定性和可靠性。

6 结论

综上所述，根据充电柜发生的故障现象，判断出因外部导电异物导致了负母排对安装底板放电引发的过流故障。

通过对恢复后的充电柜进行的出厂试验和额外新增的可靠性试验，充分验证了充电柜电气功能的稳定性和可靠性；为避免再次发生类似故障采取了有效措施。

本次充电柜输出短路故障定位准确，机理分析清楚，纠正措施具有针对性并行之有效。同时对充电柜（右舷）和电能变换器进行了排查，未发现类似问题。

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Output short circuit fault and elimination of charging cabinet of electromagnetic underwater launcher

Sun lin, Wang Mingming

（Naval equipment in Wuhan area, Wuhan 430000, China）

TM910.6

A

1003-4862（2022）12-0038-04

2022-10-27

孙霖（1979-），男，高级工程师。研究方向：舰船机电专业。E-mail: 34333654@qq.com